on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 35 гостей.
Вход в систему
Яндекс.Метрика

41.1 Диэлектрики. Поляризация диэлектриков.

 Вторая большая группа веществ, различаемых по их электрическим свойствам − диэлектрики (изоляторы), вещества, не проводящие электрический ток. К диэлектрикам относятся различные виды пластмасс, стекол, керамики, кристаллы солей, сухая древесина, многие чистые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензины), газы при не очень сильных внешних полях. Все заряженные частицы, образующие данное непроводящее вещество, связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела.
 Заметим, что резкой границы между проводниками и изоляторами нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток, однако, во многих случаях слабой проводимостью веществ можно пренебречь и считать их идеальными изоляторами. Возможность такого приближения необходимо рассматривать в каждом конкретном случае отдельно. Заметим, что во многом применимость модели идеального изолятора определяется временами протекания рассматриваемых процессов, более подробно эта проблема будет рассмотрена позднее.
 Так как все вещества состоят из электрически заряженных частиц, то все вещества взаимодействуют с электрическим полем. В диэлектриках под действием электрического поля заряды могут смещаться на незначительное расстояние, величина этого смещения меньше размеров атомов и молекул. Тем не менее, эти смещения могут приводить к весьма заметным последствиям, таки как появление индуцированных зарядов. В отличие от проводников, в диэлектриках индуцированные заряды могут возникать как на их поверхности, так и внутри их объема. Явление возникновения зарядов под действием внешнего поля называется поляризацией диэлектрика, а сами возникающие заряды называются поляризационными.
 Существуют несколько механизмов поляризации диэлектрика, соответственно с которыми различают несколько типов диэлектриков, некоторые из них мы сейчас кратко рассмотрим.
Неполярные диэлектрики. К этому классу диэлектриков относятся вещества, состоящие из атомов и молекул, не обладающих собственными дипольными моментами в отсутствии поля. Типичными примерами таких веществ являются одноатомные благородные газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул − кислород, водород, азот; различные органические жидкости масла, бензины; из твердых тел − пластмассы.
 В молекулах этих веществ центры положительных зарядов ядер и отрицательных зарядов электронных облаков совпадают (рис. 330).


рис. 330

 Под действием внешнего электрического поля происходит незначительное смещение центров этих зарядов, благодаря чему каждый атом приобретает индуцированный дипольный момент, направление которого совпадает с направлением внешнего приложенного электрического поля. Величина этого дипольного момента сложным образом зависит от напряженности внешнего поля. Однако в полях слабых по сравнению с внутриатомными полями величина индуцированного дипольного момента оказывается пропорциональной напряженности внешнего поля

где коэффициент пропорциональности α называется поляризуемостью молекулы.
Справедливость такой записи обосновывается малостью смещения центров положительных и отрицательных зарядов, а на малых изменениях любая функция может быть приближенно заменена на линейную.

Задание для самостоятельной работы.
 1. Оцените напряженность электрического поля внутри атома водорода.

 Так как каждая молекула приобретает дипольный момент то и весь диэлектрик в целом приобретает дипольный момент. Величина этого дипольного момента может служить характеристикой степени поляризации диэлектрика. Однако более удобно ввести «точечную» характеристику воздействия электрического поля на диэлектрик. Для этого внутри диэлектрика небольшой объем ΔV, индуцированный дипольный момент этого объема равен сумме дипольных моментов отдельных молекул, находящихся внутри рассматриваемого объема


отношение этого дипольного момента к объему называется поляризацией1 (вектором поляризации) диэлектрика

 Как обычно, данная характеристика становится «точечной», при объеме выделенной части, стремящейся к нулю (ΔV → 0).
 Если индуцированный дипольный момент каждой молекулы пропорционален напряженности внешнего поля, то и дипольный момент каждой части диэлектрика также пропорционален напряженности внешнего поля. Поэтому связь между вектором поляризации и напряженностью внешнего поля принято записывать в виде

где Χ (греческая буква «хи») − называется поляризуемостью вещества.  Поляризуемость вещества в отличии от поляризуемости тела и молекулы является безразмерной величиной, характеризующей данное вещество. В отличие от проводников, где воздействие поля характеризуется величиной индуцированных зарядов, для диэлектриков такой характеристикой является дипольный момент единицы объема, то есть вектор поляризации.
 Рассмотренный механизм поляризации неполярных диэлектриков называется индукционным.
Формально из сравнения формул (1) и (2) следует, что поляризуемость вещества связана с поляризуемостью отдельной молекулы соотношением Χ = αn, (где n − число молекул в единице объема, то есть концентрация). Однако такое простое соотношение справедливо только для разреженных газов, где можно пренебречь взаимодействием молекул. В жидких и твердых телах каждая молекула находится в поле, которое создается не только внешними источниками, но дипольными моментами других молекул. Иными словами − та же «заклиненная» задача, только еще в более сложной постановке.

Задание для самостоятельной работы.
 1. Считая, что поляризуемость молекулы равна ее объему оцените поляризуемость молекул газов. Оцените также поляризуемость воздуха при нормальных условиях. Для проведения оценок примите, что диаметр молекулы примерно равен 1 ангстрему.

Полярные диэлектрики. Некоторые молекулы обладают собственным дипольным моментом даже в отсутствии внешнего электрического поля. Такие молекулы называются полярными, а диэлектрики, образованные такими молекулами − полярными. Полярные молекулы несимметричны, электронные плотности в них смещены к одному из атомов.
 Типичным примером такой молекулы служит молекула воды H2O, в которой электронные облака смещены к атому кислорода, вследствие чего центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга, поэтому молекула обладает собственным дипольным моментом (рис. 331).


рис. 331

 Механизм поляризации полярных диэлектриков иной, чем неполярных. В отсутствие внешнего поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, поэтому в любом объеме диэлектрика, содержащем достаточно много молекул, суммарный дипольный момент равен нулю. Во внешнем электрическом поле на молекулы действует вращающий момент, поэтому молекулы начинают ориентироваться, так, что вектор дипольного момента выстраивается вдоль вектора напряженности внешнего поля (рис. 332).

рис. 332

 Тем самым диэлектрик и каждая его часть приобретает индуцированный дипольный момент. Такой механизм поляризации называется ориентационным. Полной ориентации всех молекул препятствует хаотическое тепловое движение, поэтому молекулы диэлектрика лишь частично ориентируются по внешнему полю.
 Понятно, что в очень сильных полях подавляющая часть молекул выстроится вдоль вектора напряженности внешнего поля. Однако при комнатных температурах степень ориентации молекул является незначительной, поэтому и в случае полярных диэлектриков можно приближенно считать, что вектор поляризации диэлектрика пропорционален напряженности электрического поля

 Отметим, что поляризуемость полярных диэлектриков на несколько порядков превышает поляризуемость неполярных.
 Заметим, что индукционный механизм поляризации присутствует и в полярных диэлектриках. То есть под действием электрического поля происходит смещение зарядов в молекулах, однако эффект ориентации на несколько порядков превосходит индукционный эффект, поэтому последним часто пренебрегают.

Задание для самостоятельной работы.
 1. Объясните, почему поляризуемость полярных диэлектриков зависит от температуры, а неполярных практически нет. Как ведет себя поляризуемость полярных диэлектриков с ростом температуры?

Электреты. Интересный класс веществ образуют диэлектрики, способные длительное время сохранять наэлектризованное состояние и создающие собственное электрическое поле в окружающем пространстве. Такие вещества называются электретами, они аналогичны постоянным магнитам, сохраняющим состояние намагниченности.
 Стабильные электреты можно получить, нагревая диэлектрик до температуры плавления, а затем охлаждая их в сильном электрическом поле. В жидком состоянии полярные молекул, находящиеся в электрическом поле, ориентируются, при отвердевании подвижность молекул исчезает, поэтому ориентированное состояние молекул может сохраняться длительное время. Изготавливают электреты из органических (воск, парафин, нафталин, эбонит) и неорганических (сера, некоторые виды стекол) полярных диэлектриков. Первые электреты были изготовлены в начале XIX века итальянским физиком А. Вольта.
1Обращайте внимание на терминологию: поляризация диэлектрика − явление, поляризация или вектор поляризации − характеристика воздействия поля на вещество. Еще сложнее с поляризуемостью − поляризуемость тела, поляризуемость молекулы, далее появится поляризация вещества.